基于UG的复杂曲面叶轮三维造型及五轴数控加工技术研究CAM..doc

基于UG的复杂曲面叶轮三维造型及五轴数控加工技术研究CAM CAM, 曲面, 数控, 叶轮, 三维造型 以典型的CAD/CAM软件UG及深窄槽道、大扭角、变根圆角的微型涡轮发动机压气机转子应用实例为背景，设计出基于UG的一套完整、系统的整体叶轮数控加工方案，包括整体叶轮的三维建模、数控加工工艺流程规划，数控加工编程等。并在MIKRONH5M40QU五坐标数控机床上进行实验验证，证明该整体叶轮数控加工方案及程序的可行性。该加工件已经用于微型发动机中进行试车实验。? ? 1.引言? ? ? ? 整体叶轮特点是:结构复杂、数量种类繁多、对发动机性能影响大、设计研制周期长、制造工作量大。目前，较重要用途的叶轮都是由非可展直纹面和自由曲面构成的，叶轮叶片的型面非常复杂，使得叶片实体造型较一般的实体造型更为复杂多变。从整体叶轮的结构特点也可以看出:加工整体叶轮时加工轨迹规划的约束条件比较多，相邻叶片空间较小，加工时极易产生碰撞干涉，自动生成无干涉刀位轨迹较困难。? ? ? ? 目前国外一般应用整体叶轮的五坐标加工专用软件，主要有美国NREC公司的MAX-5,??MAX-AB叶轮加工专用软件，瑞士Starrag数控机床所带的整体叶轮加工模块，还有Hypermill等也可用于整体叶轮加工。口前，国内只有少数几家企业可以加工整体叶轮，而且工艺水平距国际先进水平尚有差距。总体上，我国叶轮加工领域的研究与应用同发达国家相比还有很大差距，在窄槽道、小轮毅比等高性能叶轮制造技术方面尚未过关。? ? ? ? 2整体叶轮的CAD/CAM系统结构图? ? ? ? 整体铣削叶轮加工是指毛坯采用锻压件，然后车削成为叶轮回转体的基本形状，在五轴数控加工中心上使轮毅与叶片在一个毛坯上一次加工完成，它可以满足压气机叶轮产品强度要求，曲面误差小，动平衡时去质量较少，因此是较理想的加工方法。五轴数控加工技术的成熟使这种原来需要手工制造的零件，可以通过整体加工制造出来。采用数控加工方法加工整体叶轮的CADICAM系统结构图如图1.? ?? ?? ? 3微型压气机转子的结构特点及加工难点? ? ? ? 国内大多数整体叶轮都是根据国外叶轮缩比仿制的，而本文研究的叶轮是北航能源与动力工程学院自主开发的微型航空发动机上的压气机转子。压气机转子出口直径为81mm，有8片一级叶片，8片二级叶片，出口叶片高度3mm，叶轮进口直径44.3mm,进口叶片高度17.l5mm，叶片厚度最薄处0.4mm，相邻叶片间最小间距为3.1mm，如图2.? ?? ? ? ? 为了使气动性设计达到了国际先进水平，压气机转子采用了大扭角、根部变圆角等结构，给加下提出了很高的要求。转子加工难度如下:? ? ? ? a.国际上同等直径81 mm的整体叶轮通常有12片叶片或14片叶片，而此转子有16片叶片，而且它的二级叶片也较长，这些都使加工槽道进一步变窄，加工难度进一步增加;? ? ? ? b.在刀具直径为2.Smm情况下，刚性差，容易断，控制切削深度也是关键;? ? ? ? c此叶轮曲面为自由曲面、流道窄、叶片扭曲严重，并且有后仰的趋势，加工时极易产生干涉，加工难度高。有时为了避免干涉，有的曲面耍分段加工，因此保证加工表面的一致性也有一定困难;? ? ? ? d.前缘圆角曲率半径变化很大，加工过程中机床角度变化较大。并且实现环绕叶片加工较难;? ? ? ? e甲由于叶轮强度的需要，轮毅与叶片之间还采用变圆角。槽道窄、叶片高、变圆角的加工也是难点。? ? ? ? 总之，此叶轮的窄槽道、大扭角、变圆角给加工带来了很大困难，国内还未见有加工出此种高难度的整体叶轮。? ?以典型的CAD/CAM软件UG及深窄槽道、大扭角、变根圆角的微型涡轮发动机压气机转子应用实例为背景，设计出基于UG的一套完整、系统的整体叶轮数控加工方案，包括整体叶轮的三维建模、数控加工工艺流程规划，数控加工编程等。并在MIKRONH5M40QU五坐标数控机床上进行实验验证，证明该整体叶轮数控加工方案及程序的可行性。该加工件已经用于微型发动机中进行试车实验。? ? ? ? 4创建叶轮的三维模型? ? ? ? 4. 1叶轮叶片数据的获取方法? ? ? ? 叶轮叶片数据的获取主要有两种方法:一种是通过逆向工程;一种是通过理论计算。逆向工程是把原型的几何尺寸通过各种测量方法(如:三坐标测量机、激光跟踪仪、三坐标测头等)转化成数据文件，然后重新建立此零件的CAD模型的技术。理论计算是根据流体力学原理计算出的叶型数据，本文的原始造型数据就是通过理论计算得出的。? ? ? ? 数据文件提供的是:一系列数据点坐标，数据点坐标格式为；XC空格YC空格ZC空格，与UG对数据源文件的要求一致。这样才